一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元和建立方法技术

本发明专利技术涉及一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元和建立方法，属于水轮机及水力机组稳定性分析和控制技术领域。在水轮机调速器的PID控制单元中加入水压相位补偿环节，其中水压相位补偿环节的传递函数形式如下：

A Control Unit and Construction Method of Turbine Governor with Hydraulic Pressure Phase Advance Compensation

【技术实现步骤摘要】
一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元和建立方法
本专利技术涉及一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元和建立方法，属于水轮机及水力机组稳定性分析和控制

技术介绍
水力动态对机组及电网稳定性影响的研究，从最初以水轮机调节系统为核心的研究，逐步扩展到水机电多系统的综合分析。而且，研究方法从水机电多系统的简单组合，发展到以多场耦合动力学为核心的内部动力学耦合机理研究。将水力系统和机组及其控制器纳入统一框架下进行仿真计算是近年来研究的热点问题。在水力机组系统的控制调节过程中，水压波动造成水轮机机械功率波动，进而造成发电机功率波动，是影响机组控制调节稳定性和速动性的核心因素。从水力系统的结构及其动态特性变化角度，研究抑制水压波动的技术和方法，研究进展相对比较缓慢。这类方法中最典型的技术是调压井技术，从调压井形式到调压井结构参数，及其对大波动小波动的影响等相关问题进行了比较系统的研究。在水电站中，管道水压波动是由导叶的运动引起的，因此，将水力动态与调速器控制建立联系是最自然的想法。有关引入水压信号的问题，国内外都有专门的研究，例如采用水压反馈信号的PI、PID几种控制算法，对水压波动的抑制起到了一定的作用。本质上看，这种水压反馈属于反馈控制范畴。从水轮机调节系统的整体结构来看，调速器控制单元输出信号经液压放大单元和主接力器再到导叶，导叶动作引起管道水压波动。这一过程中，水压波动明显滞后调速器控制单元的输出信号。在机组进行控制调节的暂态过程中，这种滞后是导致水轮机输出功率波动幅度过大的主要原因。通过理论研究发现，采用水压相位信号作为调速器控制单元的辅助信号，可以一致水电机组有功波动。因此，本专利技术提出一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元和建立方法，改善调速器的控制性能。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题及不足，本专利技术提供一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元和建立方法。本带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元，为研究水力系统和机组暂态过程及其稳定性，以及水力机组控制设计提供一种便捷的方法和手段。本专利技术通过以下技术方案实现。一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元，在水轮机调速器的PID控制单元中加入水压相位补偿环节，其中水压相位补偿环节的传递函数形式如下：KA是增益系数；K1是滤波环节的时间常数，秒；K2、K3是超前环节的时间常数，秒；s是拉普拉斯算子。一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元的建立方法，其具体步骤如下：步骤1、构建水压相位补偿环节，水压相位补偿环节的传递函数形式如下：KA是增益系数；K1是滤波环节的时间常数，秒；K2、K3是超前环节的时间常数，秒；s是拉普拉斯算子；该水压相位补偿环节的参数可直接给定或结合实际工程通过仿真计算得到；同时该水压相位补偿环节满足下列三个条件：设水压波动频率为ωg，在满足K1ωg>>1的条件下，滤波环节的增益为1。选择K2<K3，则第二个传递函数可提供超前相位角。增益系数KA用于调整水压幅值，避免幅值过大淹没PID输出信号。步骤2、将步骤1的水压相位补偿环节通过软件编程实现，并加入到PID控制单元构成带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元。现代微机调速器都具有一定的运算处理能力，这里的相位补偿环节并不复杂，能够利用微机调速器的运算处理单元完成。所述步骤2构成带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元后，采用仿真模拟方法，确定相位补偿单元的各项参数值。本专利技术的有益效果是：1、基于水压相位超前补偿的控制方式，解决了传统上采用水压波动幅值补偿所固有的控制滞后问题。2、本专利技术所提出的水压相位补偿控制方式，可采用软件算法模块实现，在现有调速器控制单元中增加水压相位补偿的算法模块即可实现，应用方便。3、本专利技术提出的水压相位补偿方式，也适用于其他类型的调速器控制单元，只需将本专利技术的水压相位补偿算法模块作为辅助信号加入调速器控制单元即可。附图说明图1是本专利技术带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元结构框图；图2是本专利技术实施例1故障扰动下水轮机水头的暂态对比图；图3是本专利技术实施例1故障扰动下发电机有功功率的暂态对比。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。实施例1本实例是以某水电站的数据进行的计算。单机单管引水系统，主要参数设置为：管道长度L＝1000(米)，管径D＝3.5(米)，额定流量Qr＝53.5(立方米/秒)，额定水头Hr＝312(米)，水击波速α＝1100(米/秒)，主接力器时间常数Ty＝0.5(秒)。调速器采用典型的并联PID结构，控制参数：KP＝5.0，KD＝2.5，KI＝1.5，bp＝0.04；励磁控制系统采用机端电压的PID控制，KP1＝10，KI1＝5，KD1＝0.001。水力系统及水轮机采用弹性水击水轮机模型，发电机及电网采用单机无穷大系统三阶发电机模型，机组惯性时间常数Tj＝8.999(秒)，发电机等效阻尼系数D＝5。仿真工况：机组运行初始有功pe＝90％额定负荷，无功Qe＝30％。在t＝1(秒)，发电机输出线路发生故障短路，在t＝1.1(秒)故障切除。该带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元，在水轮机调速器的PID控制单元中加入水压相位补偿环节，其中水压相位补偿环节的传递函数形式如下：KA是增益系数；K1是滤波环节的时间常数，秒；K2、K3是超前环节的时间常数，秒；s是拉普拉斯算子。通过仿真分析后，选取KA＝0.3，K1＝10.0(秒)，K2＝0.05(秒)，K3＝0.5(秒)。该带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元的建立方法，其具体步骤如下：步骤1、构建水压相位补偿环节，水压相位补偿环节的传递函数形式如下：KA是增益系数；K1是滤波环节的时间常数，秒；K2、K3是超前环节的时间常数，秒；s是拉普拉斯算子；通过仿真分析后，选取KA＝0.3，K1＝10.0(秒)，K2＝0.05(秒)，K3＝0.5(秒)；步骤2、将步骤1的水压相位补偿环节通过软件编程实现，并加入到PID控制单元构成带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元；最后采用仿真模拟方法，确定相位补偿单元的各项参数值。带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元的水轮机水头的暂态，和无相位补偿的水轮机水头的暂态对比图如图2所示，从图2中可以看出，带水压相位超前补偿后，水压波动的幅值明显减小。带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元的发电机有功功率和无相位补偿的发电机有功功率对比图如图3所示，从图3中可以看出，加入带水压相位超前补偿后，发电机有功功率波动幅值略有增加，但是暂态起始阶段的最大幅值基本不变。以上结合附图对本专利技术的具体实施方式作了详细说明，但是本专利技术并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利技术宗旨的前提下作出各种变化。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元，其特征在于：在水轮机调速器的PID控制单元中加入水压相位补偿环节，其中水压相位补偿环节的传递函数形式如下：

【技术特征摘要】
1.一种带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元，其特征在于：在水轮机调速器的PID控制单元中加入水压相位补偿环节，其中水压相位补偿环节的传递函数形式如下：KA是增益系数；K1是滤波环节的时间常数，秒；K2、K3是超前环节的时间常数，秒；s是拉普拉斯算子。2.一种根据权利要求1所述的带水压相位超前补偿的水轮机调速器控制单元的建立方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1、构建水压相位补偿环节，水压相位补偿环节的传递函数形式...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾云，钱晶，吕顺利，张晓旭，于凤荣，李丹，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53